KR102634085B1 - 조석전선 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

조석전선 추정 장치 및 방법이 개시된다. 조석전선 추정 방법은, 추정대상 해역의 과거 관측 데이터를 획득하는 단계, 추정대상 해역의 복수의 지점에 대하여, 획득된 과거 관측 데이터를 미리 설정된 전수심 혼합 여부 판별식에 대입하여 계산하는 단계 및 계산 결과, 계산 값이 미리 설정된 기준값 이하인 지점들의 영역을 전수심 혼합 해역으로 간주하고, 계산 값이 미리 설정된 기준값 초과인 지점들의 영역을 성층 해역으로 간주하고, 간주된 전수심 혼합 해역과 성층 해역의 경계를 조석전선으로 추정하는 단계를 포함한다.

Description

조석전선 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating tidal fronts}
본 발명은 조석전선 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
해양에서 조석으로 인해 발생되는 전선 해역은 연직 혼합이 활발하여 영양염류가 많다. 이에 따라, 전선 해역은 수산자원이 풍부하기 때문에 수산물의 생산성이 높다.
조류가 빠르고 수심이 얕은 해역에서는 조류에 의한 저층 혼합층이 두꺼워서 바람에 의한 표층 혼합층과 겹친다. 이와 같이 표층과 저층의 혼합층이 겹침에 따라 전수심에서 혼합이 일어난다. 전수심에서 혼합이 일어나는 해역의 외곽에는 전수심 혼합이 일어나지 않는 해역이 존재하므로, 전수심 혼합 해역과 외곽 해역 사이에는 조석전선이 발생한다.
일반적으로, 조석전선을 찾는 방법은, 전수심의 수온을 비교하여 전수심의 수온이 일정 수준으로 유사한 해역을 전수심 혼합 해역으로 간주하고, 간주된 전수심 혼합 해역의 외곽 해역과의 사이를 조석전선으로 간주하는 것이다. 이를 위하여, 탐색 대상 해역에 대하여 전수심의 수온 관측이 수행되어야 하므로, 많은 시간과 비용이 소요된다.
대한민국공개특허공보 제10-2023-0055765호(2023.04.26)
본 발명은 조류의 유속과 수심의 관계로 도출된 조석조류 수치 모델 및 과거 관측 데이터를 이용하여 전수심 혼합 해역 및 조석전선을 추정하는 조석전선 추정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 조석전선 추정 장치가 수행하는 조석전선 추정 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 방법은, 추정대상 해역의 과거 관측 데이터를 획득하는 단계, 상기 추정대상 해역의 복수의 지점에 대하여, 상기 획득된 과거 관측 데이터를 미리 설정된 전수심 혼합 여부 판별식에 대입하여 계산하는 단계 및 상기 계산 결과, 계산 값이 미리 설정된 기준값 이하인 지점들의 영역을 전수심 혼합 해역으로 간주하고, 상기 계산 값이 미리 설정된 기준값 초과인 지점들의 영역을 성층 해역으로 간주하고, 상기 간주된 전수심 혼합 해역과 성층 해역의 경계를 조석전선으로 추정하는 단계를 포함한다.
상기 획득되는 과거 관측 데이터는 상기 추정대상 해역의 해저면 마찰계수, 온도변화 전의 기준밀도, 비열, 기여비율, 부피팽창계수, 단위면적당 흡수된 열량의 변화율을 포함한다.
상기 전수심 혼합 여부 판별식은 조류의 유속과 수심의 관계식인 하기 수학식으로 설정된다.
여기서, h는 수심이고, u는 조류의 유속이다.
상기 전수심 혼합 여부 판별식의 계산값은 하기 수학식으로 산출된다.
여기서, k는 해저면 마찰계수이고, ρ0는 온도변화 전의 기준밀도이고, Cp는 비열이고, 는 기여비율이고, α는 부피팽창계수이고, g는 중력가속도이고, dQ/dt는 단위면적당 흡수된 열량의 변화율이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 조석전선 추정 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 장치는, 명령어를 저장하는 메모리 및 상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는, 추정대상 해역의 과거 관측 데이터를 획득하는 단계, 상기 추정대상 해역의 복수의 지점에 대하여, 상기 획득된 과거 관측 데이터를 미리 설정된 전수심 혼합 여부 판별식에 대입하여 계산하는 단계 및 상기 계산 결과, 계산 값이 미리 설정된 기준값 이하인 지점들의 영역을 전수심 혼합 해역으로 간주하고, 상기 계산 값이 미리 설정된 기준값 초과인 지점들의 영역을 성층 해역으로 간주하고, 상기 간주된 전수심 혼합 해역과 성층 해역의 경계를 조석전선으로 추정하는 단계를 포함하는 조석전선 추정 방법을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 장치 및 방법은, 조류의 유속과 수심의 관계로 도출된 조석조류 수치 모델 및 과거 관측 데이터를 이용하여 전수심 혼합 해역 및 조석전선을 추정함으로써, 직접 해양에서 관측을 수행하지 않고도 비교적 쉽고 신속하게 조선전선을 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 장치가 수행하는 조석전선 추정 방법을 개략적으로 예시하여 나타낸 흐름도.
도 2는 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 장치가 수행하는 조석전선 추정 방법을 개략적으로 예시하여 나타낸 흐름도이고, 도 2는 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 1을 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 방법을 설명하되, 도 2를 참조하기로 한다.
S110 단계에서, 조석전선 추정 장치는, 추정대상 해역의 과거 관측 데이터를 획득한다. 예를 들어, 조석전선 추정 장치는 국립해양조사원, 미국 USGS(United States Geological Survey) 등의 데이터베이스에서 과거 관측 데이터를 획득할 수 있다.
S120 단계에서, 조석전선 추정 장치는, 추정대상 해역의 복수의 지점에 대하여, 획득된 과거 관측 데이터를 미리 설정된 전수심 혼합 여부 판별식에 대입하여 계산한다.
여기서, 전수심 혼합 판별식은 하기 수학식과 같이 조류의 유속과 수심의 관계식으로 설정될 수 있다.
여기서, h는 수심이고, u는 조류의 유속이다.
S130 단계에서, 조석전선 추정 장치는, 계산 결과, 계산 값이 미리 설정된 기준값 이하인 지점들의 영역을 전수심 혼합 해역으로 간주하고, 계산 값이 미리 설정된 기준값 초과인 지점들의 영역을 성층 해역으로 간주하고, 간주된 전수심 혼합 해역과 성층 해역의 경계를 조석전선으로 추정한다.
이하, 도 2를 참조하여, 전수심 혼합 판별식에 대하여 설명하기로 한다.
조석전선의 지속성은 조석 혼합에 의하여 좌우될 수 있다. 그래서, 도 2를 참조하면, 해수로 q만큼의 열이 들어오면, 해수면으로부터 수심 Δh까지의 상층부는 밀도가 Δρ만큼 변한다.
밀도가 Δρ만큼 변한 상층부가 하층부와 혼합되어, 수심 h'까지의 수주가 ρ'의 밀도를 갖기 위해서는 V2-V1 만큼의 에너지 공급이 필요하다고 가정할 수 있다. 여기서, V1 및 V2는 각각 상층부와 하층부의 혼합 전 및 후의 잠재 에너지(potential energy)이다.
여기서, V1 = 수주 전체의 밀도가 ρ일 때의 잠재 에너지 - 상부층의 밀도가 Δρ만큼 작을 때의 잠재 에너지 + 대기압이다.
여기서, 수주 전체의 밀도가 ρ일 때의 잠재 에너지는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
그리고, 상부층의 밀도가 Δρ만큼 작을 때의 잠재 에너지는 수주 전체의 밀도가 Δρ일 때의 잠재 에너지에서 하층부의 잠재 에너지를 뺀 것으로, 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
따라서, V1 및 V2는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
여기서, Δh<<h라고 가정하면 이고, h=h'이고, Pa는 대기압이다.
그래서, 연직혼합 전후의 잠재 에너지의 차이는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
한편, 에너지 보존 법칙에 따르면 하기 수학식을 만족한다.
이에 따라, 연직혼합 전후의 잠재 에너지의 차이는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
이하에서는, 상층부와 하층부 사이의 밀도 차이는 열량 차이에 의한 것이므로, 수학식 7을 열량의 관계식으로 변환해 보기로 한다.
일반적으로, 밀도 ρ, 온도 T 및 열량 Q 간에는 하기 수학식과 같은 관계가 성립한다.
여기서, Q는 단위면적당 흡수된 열량이고, Cp는 비열이고, ρ0는 온도변화 전의 기준밀도이고, α는 부피팽창계수이고, ΔT는 온도변화 차이이다.
이러한 관계에 따라 수학식 7은 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
그래서, 잠재 에너지의 변화율 dv/dt는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
혼합이 일어나려면, 수학식 10의 양 정도의 에너지가 지속적으로 공급되어야 한다. 이 에너지는 조류에 의한 저층 난류 에너지인 것으로 가정하기로 한다. 해저면 가까이에서 유속이 ub인 조류가 바닥 마찰(bottom stress) τb에 기여하는 평균 일률은 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
여기서, E는 단위면적당 수주의 에너지이고, bar(￣)는 시간에 대한 평균을 의미한다.
그리고, 바닥 마찰(bottom stress) τb는 하기 수학식과 같이 유속에 대한 2차 함수로 근사될 수 있다.
여기서, k는 비차원적인 해저면 마찰계수로서, 경험적으로 0.0025가 적용될 수 있다.
따라서, 평균 일률은 하기 수학식이 될 수 있다.
Ub(t) = u0cos(wt)일 때, 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
이를 평균 일률에 적용하면, 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
이 에너지의 전부가 잠재 에너지의 변화에 기여하는 것은 아니므로, 기여비율 를 가정하기로 한다. 그러면, 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
이로부터, 하기 수학식과 같이 전수심 혼합 판별식이 도출될 수 있다.
따라서, 획득되는 추정대상 해역의 과거 관측 데이터는 해저면 마찰계수 k, 온도변화 전의 기준밀도 ρ0, 비열 Cp, 기여비율 , 부피팽창계수 α, 단위면적당 흡수된 열량의 변화율 dQ/dt을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 장치는 프로세서(10), 메모리(20), 통신부(30) 및 인터페이스부(40)를 포함한다.
프로세서(10)는 메모리(20)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다.
메모리(20)는 다양한 유형의 휘발성 또는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(20)는 ROM, RAM 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 메모리(20)는 본 발명의 실시예에 따른 조석전선 추정 방법을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있다.
통신부(30)는 통신망을 통해 다른 장치들과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.
인터페이스부(40)는 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 프로세서
20: 메모리
30: 통신부
40: 인터페이스부

Claims (5)

  1. 조석전선 추정 장치가 수행하는 조석전선 추정 방법에 있어서,
    추정대상 해역의 과거 관측 데이터를 획득하는 단계;
    상기 추정대상 해역의 복수의 지점에 대하여, 상기 획득된 과거 관측 데이터를 미리 설정된 전수심 혼합 여부 판별식에 대입하여 계산하는 단계; 및
    상기 계산 결과, 계산 값이 미리 설정된 기준값 이하인 지점들의 영역을 전수심 혼합 해역으로 간주하고, 상기 계산 값이 미리 설정된 기준값 초과인 지점들의 영역을 성층 해역으로 간주하고, 상기 간주된 전수심 혼합 해역과 성층 해역의 경계를 조석전선으로 추정하는 단계를 포함하되,
    상기 획득되는 과거 관측 데이터는 상기 추정대상 해역의 해저면 마찰계수, 온도변화 전의 기준밀도, 비열, 기여비율, 부피팽창계수, 단위면적당 흡수된 열량의 변화율을 포함하는 것을 특징으로 하는 조석전선 추정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전수심 혼합 여부 판별식은 조류의 유속과 수심의 관계식인 하기 수학식으로 설정되는 것을 특징으로 하는 조석전선 추정 방법.

    여기서, h는 수심이고, u는 조류의 유속임
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전수심 혼합 여부 판별식의 계산값은 하기 수학식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 조석전선 추정 방법.

    여기서, k는 해저면 마찰계수이고, ρ0는 온도변화 전의 기준밀도이고, Cp는 비열이고, 는 기여비율이고, α는 부피팽창계수이고, g는 중력가속도이고, dQ/dt는 단위면적당 흡수된 열량의 변화율임
  5. 조석전선 추정 장치에 있어서,
    명령어를 저장하는 메모리; 및
    상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 명령어는,
    추정대상 해역의 과거 관측 데이터를 획득하는 단계;
    상기 추정대상 해역의 복수의 지점에 대하여, 상기 획득된 과거 관측 데이터를 미리 설정된 전수심 혼합 여부 판별식에 대입하여 계산하는 단계; 및
    상기 계산 결과, 계산 값이 미리 설정된 기준값 이하인 지점들의 영역을 전수심 혼합 해역으로 간주하고, 상기 계산 값이 미리 설정된 기준값 초과인 지점들의 영역을 성층 해역으로 간주하고, 상기 간주된 전수심 혼합 해역과 성층 해역의 경계를 조석전선으로 추정하는 단계를 포함하는 조석전선 추정 방법을 수행하고,
    상기 획득되는 과거 관측 데이터는 상기 추정대상 해역의 해저면 마찰계수, 온도변화 전의 기준밀도, 비열, 기여비율, 부피팽창계수, 단위면적당 흡수된 열량의 변화율을 포함하는 것을 특징으로 하는 조석전선 추정 장치.
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